畢業(yè)論文-切削加工過程中的殘余應(yīng)力研究

1、切削加工過程中的殘余應(yīng)力研究摘要：在各種機(jī)械和機(jī)器的制造過程中，零件內(nèi)部均將產(chǎn)生殘余 應(yīng)力，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力狀態(tài)，特別是應(yīng)力值的大小，隨各種加工方 法或處理方法不同而有較大差別。機(jī)械加工如擠壓、拉拔、軋制、校 正、切削、磨削、表面滾壓、噴丸或錘擊等，以及熱加工的焊接、切 割等，不可避免地引發(fā)殘余應(yīng)力以及殘余應(yīng)力分布不均。殘余應(yīng)力是 機(jī)械構(gòu)件中普遍存在的，其影響貫穿機(jī)械結(jié)構(gòu)全壽命周期，一方面會 降低工件強(qiáng)度，使工件在制造時(shí)產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷，另一方 而，在制造完成后，殘余應(yīng)力的自然釋放使材料的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng) 力腐蝕等力學(xué)性能降低。在大多數(shù)情況下，殘余應(yīng)力的存在是極其有 害的。關(guān)鍵詞：殘余

2、應(yīng)力、機(jī)械加工、工件壽命、工件性能1背景殘余應(yīng)力是指在沒有對物體施加外力時(shí)，物體內(nèi)部存在的保持自 相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)。它是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種，并分為殘余拉應(yīng) 力與殘余壓應(yīng)力1。殘余應(yīng)力主要是由構(gòu)件內(nèi)部不均勻的塑性變形引起的。各種工程 材料和構(gòu)件在毛坯的制備、零件的加工、熱處理和裝配的過程中都 會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力因其直觀性弟和不易檢測等因 素往往被人們忽視。殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響構(gòu)件的加工精度和尺寸穩(wěn)定 性、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和腐蝕開裂。特別是在承力件和轉(zhuǎn)動(dòng)件上，殘余應(yīng)力的存在易導(dǎo)致突發(fā)性破壞但后果往往十分嚴(yán)重。圖1和圖2分別是螺栓的斷裂和輪齒的折斷，為工業(yè)生產(chǎn)帶來非常大的影響。圖1螺

3、栓的斷裂圖2輪齒的折斷因此，自20世紀(jì)50年代以來國內(nèi)外技術(shù)人員花費(fèi)了大量的精 力研究殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、檢測手段、消除方法以及殘余應(yīng)力對 構(gòu)件的影響。而殘余應(yīng)力按應(yīng)力范圍分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力；按產(chǎn)生原因分 為體積應(yīng)力和組織應(yīng)力；按工藝過程分為：切削加工殘余應(yīng)力、熱處 理殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力以及鑄造殘余應(yīng)力等等，本文主要是對切 削加工過程中的殘余應(yīng)力研究分析。1.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因切削加工后的已加工表面上常有殘余應(yīng)力，其產(chǎn)生原因有以下幾個(gè)方面：2.1機(jī)械加工過程中力的作用引起的殘余應(yīng)力這是金屬構(gòu)件在加工中最易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，當(dāng)施加外力時(shí)，物 體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限

4、制了與其相鄰 部分變形的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力2。由此可見，構(gòu)件在外力作用下出現(xiàn)局部的塑性變形，當(dāng)外力去除 時(shí)，這些局部的塑性變形限制了整個(gè)截面變形的恢復(fù)，因此產(chǎn)生了殘 余應(yīng)力。這時(shí)沿截面各點(diǎn)出現(xiàn)了止負(fù)相間的自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，這 就是殘余應(yīng)力。這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工 工藝中均會岀現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應(yīng)力往 往是很大的。在金屬的切削過程中，切屑是被加工材料受到刀具的前刀面的 推擠而沿剪切面剪切滑移形成的。在這個(gè)過程中，切削層金屬會發(fā) &一系列的變形，同時(shí)產(chǎn)牛大量的熱。通常把金屬切削的變形過程 分為3個(gè)變形區(qū)（如圖3所示）來研究：圖3切削加工

5、過程的三個(gè)變形區(qū)示意圖第一變形區(qū)集中在刀尖與工件接觸的前端，存在大的剪切變形和摩擦，因此會產(chǎn)生大量的熱。在第一變形區(qū)內(nèi)形成的切屑會隨著刀具 的移動(dòng)沿著前刀面的方向流動(dòng)。在第二變形區(qū)中，切屑底層和前刀面 會發(fā)生進(jìn)一步的摩擦和擠壓，這個(gè)過程伴隨著塑性變形的產(chǎn)生和熱量 的釋放。由于刀尖鈍角的存在，在第一變形區(qū)中切削層金屬并沒有被 完全切除而會留下薄薄一層未被去除的金屬。當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ鄬\(yùn)動(dòng) 時(shí)，這一薄層金屬會被擠壓通過切削刃鈍角和后刀面。金屬切削過程 的第三變形區(qū)中，這個(gè)過程中表層金屬會發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生熱量而 基體則產(chǎn)生彈性變形。刀具切削工件材料過程中，刀尖前方的三角形區(qū)域會隨著刀具的 運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生

6、沿著切削方向的壓縮塑性變形和垂直于切削表面方向的 拉伸塑性變形（塑性凸出效應(yīng)）如圖4所示。因此，在沿著切削表 面的方向會有拉伸殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。圖4切削加工過程塑形形成簡圖與此同時(shí)，刀具的后刀而會對已加工表面有進(jìn)一步的擠壓和摩會使其表面發(fā)生塑性伸長而產(chǎn)生沿表面方向的壓縮殘余應(yīng)力。實(shí)際加工過程中由機(jī)械應(yīng)力所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是刀具接觸點(diǎn)前方塑性 凸出效應(yīng)和刀具接觸點(diǎn)后方壓延效應(yīng)的疊加。1.2加工過程溫度變化引起的殘余應(yīng)力切削時(shí)，由于強(qiáng)烈的塑形變形與摩擦,使已加工表面層的溫度很高，而里層溫度很低，形成不均勻的溫度分布4。溫度高的表層，體 積膨脹，將受到里層金屬的阻礙，使表層金屬產(chǎn)生熱引力，當(dāng)熱應(yīng)力 超過

7、材料的屈服極限時(shí)，會使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑形變形。切削后冷 卻至室溫時(shí)，表層金屬體積的收縮受受到里層金屬的牽制，因而使表 層金屬產(chǎn)生殘余拉引力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。金屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性 模量等都隨溫度的升高而下降。如果構(gòu)件上溫度場的溫度階梯較大， 則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的，因此在高溫下出現(xiàn)的熱 塑性也是不均勻的。1.3因組織改變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力切削過程中，由于高溫引起相變而導(dǎo)致的相變應(yīng)力5。金屬的組 織發(fā)半相變時(shí)，會出現(xiàn)體積的突然膨脹。如果這種膨脹是均勻的，則 如同構(gòu)件均勻熱膨脹一樣，沒有約束的情況下不產(chǎn)生應(yīng)力。但是由于 構(gòu)件的組織成分不均勻，溫

8、度分布不均勻等原因，造成構(gòu)件各部分相 變時(shí)間不同，體積膨脹不均勻，因此使各部分間出現(xiàn)互相約束而產(chǎn)生 了殘余應(yīng)力。一般表層溫度大于相變溫度，則表層組織可能發(fā)生相 變，由于各種金屬組織的體積不同，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如高速切削碳鋼時(shí)，刀具與工件接觸區(qū)的溫度可達(dá)600-800°c； 而碳鋼在720°c發(fā)生相變，形成奧氏體，冷卻后變?yōu)轳R氏體。由于馬 氏體的體積比奧氏體大，因而表層金屬膨脹，但受到里層金屬的阻礙, 從而使里表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。總之，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于構(gòu)件某一部分的變形恢復(fù)受到約束 而造成的。局部不均勻的塑性變形的出現(xiàn)，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的普遍原 因。一

9、個(gè)構(gòu)件上殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)是由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的 綜合值來決定的，因此它的分布規(guī)律是隨機(jī)的，給測量和研究帶來較 大的困難。2.殘余應(yīng)力的影響金屬構(gòu)件在加工過程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危害 作用：降低構(gòu)件的強(qiáng)度、降低工件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷 裂以及由于殘余應(yīng)力分布不均，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響了構(gòu)件的尺寸 精度等。因此如何在加工過程避免產(chǎn)生太大的的殘余應(yīng)力以及加工完 成后如何降低和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力，就顯得十分必要。3.1對金屬材料屈服極限的影響在如圖5所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中，如果材料具有拉伸殘余應(yīng) 力，相當(dāng)于降低了材料的拉伸屈服極限。而相應(yīng)提高了壓縮屈服極限。 如果材料具

10、有壓縮殘余應(yīng)力的情況，使拉伸屈服極限提高，而壓縮屈 服極限降低。我們必須在考慮構(gòu)件強(qiáng)度性能要求的基礎(chǔ)上來評定這些影響的 好壞。一般來說，設(shè)計(jì)者不希望構(gòu)件內(nèi)具有拉伸殘余應(yīng)力，但假若構(gòu) 件內(nèi)具有壓縮殘余應(yīng)力，則可提高構(gòu)件的疲勞壽命。因此，對殘余應(yīng) 力所造成的屈服極限的變化，要根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求使用極限強(qiáng)度來加 以衡量。圖5金屬應(yīng)力應(yīng)變曲線3.2殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響人們很早就知道，當(dāng)受到交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng)力時(shí)， 該構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度會有所提高，而存在拉伸殘余應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度 會有所下降。因此在實(shí)際應(yīng)用中往往通過表面硬化處理產(chǎn)生壓縮殘余 應(yīng)力，從而有效地提高疲勞強(qiáng)度。但是很多情況下，構(gòu)件表面

11、存在的 是拉伸殘余應(yīng)力，人們首先考慮的是如何來改變這種應(yīng)力分布以提高 疲勞壽命，這就是調(diào)整殘余應(yīng)力問題，這與考慮殘余應(yīng)力對變形的影 響是不相同的，后者考慮的是如何降低和消除殘余應(yīng)力以保證構(gòu)件變 形的穩(wěn)定性。實(shí)際上，殘余應(yīng)力對疲勞的影響因條件和環(huán)境的不同而改變。它 與殘余應(yīng)力分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態(tài)等因 素有關(guān)。當(dāng)我們研究殘余應(yīng)力對疲勞的影響時(shí)既要考慮宏觀殘余應(yīng)力 的影響，也要考慮微觀殘余應(yīng)力的影響。可以認(rèn)為，宏觀殘余應(yīng)力在初期 暫時(shí)與作用的交變應(yīng)力疊加，改變應(yīng)力水平，較大地影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應(yīng)力，在應(yīng)力交變過程中，會使 微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積

12、累，這些影響比起對靜強(qiáng)度的影響來說，在 實(shí)際上更為重要。圖6不同殘余應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系圖，對厚度3mm的薄板進(jìn) 行噴丸強(qiáng)化和形變強(qiáng)化使之表面出現(xiàn)壓縮殘余應(yīng)力，并通過對不同量 值的殘余應(yīng)力試件進(jìn)行脈動(dòng)彎曲疲勞極限的測定得出的殘余應(yīng)力與 疲勞極限間的關(guān)系。從圖中可以看出，外表面最高的殘余應(yīng)力與疲勞 極限間的關(guān)系極為明顯。圖7是熱應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系圖，把圓棒 在600°c時(shí)急冷，使表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。由兩個(gè)例子明顯看出殘 余壓應(yīng)力明顯對疲勞強(qiáng)度有提高作用。0(5)廠(4) -. c3>眇/(1>脈動(dòng)彎曲疲勞強(qiáng)度7mpa80400-40120-80-160-20005 10

13、 15 20距表面的深度，io"2 in進(jìn)行過噴丸強(qiáng)化和變形強(qiáng)化的試樣的殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)廈圖6不同殘余應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系圖熱應(yīng)力型殘余應(yīng)力所造應(yīng)的交變彎曲疲勞強(qiáng)度的増加圖7熱應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系圖綜上所述，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是復(fù)雜的。由于在交變應(yīng) 力作用下殘余應(yīng)力將會發(fā)生很大的變化，所以研究殘余應(yīng)力與疲勞強(qiáng) 度之間的關(guān)系是比較困難的。但其影響規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)還是可以找到 的。3.3殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)，作 用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應(yīng) 力重新分配，當(dāng)外力作用去除吋整個(gè)構(gòu)件將要發(fā)生變形，所以殘

14、余應(yīng) 力明顯地影響著加工后的構(gòu)件精度。這也是機(jī)械加工和工程部門最關(guān) 心的問題之一。實(shí)踐已證明，具有表面拉伸殘余應(yīng)力的構(gòu)件其變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 如具有表面壓縮殘余應(yīng)力的構(gòu)件變形穩(wěn)定性好。殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響包括兩個(gè)方面，一是構(gòu)件抗靜、動(dòng)載 荷的變形能力，另一方面是荷載卸除后變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在 這兩個(gè)方面對構(gòu)件的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影 響的有效辦法。3.4殘余應(yīng)力對金屬脆性破壞的影響脆性破壞（如圖8所示）是構(gòu)件在幾乎不存在塑性變形的情況下 突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然增大的情況下，最容易 發(fā)生。這時(shí)塑性變形處于抑制狀態(tài)，如再突然受到較大的作用應(yīng)力等 原因，

15、就易于發(fā)生脆性斷裂破壞。殘余應(yīng)力是作為初始應(yīng)力存在于構(gòu) 件內(nèi)，特別是拉伸殘余應(yīng)力與作用拉應(yīng)力疊加而加速了脆性破壞。圖8脆性材料的脆性破壞3.5殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響金屬與周圍介質(zhì)的接觸而產(chǎn)生化學(xué)作用所引起的破壞稱做腐蝕。 如果在發(fā)生腐蝕的同時(shí)還有應(yīng)力的作用，則會加速腐蝕破壞，這就是 應(yīng)力腐蝕開裂（如圖9所示）。它的特點(diǎn)是：一是拉應(yīng)力與腐蝕共存。 二是市于材料成分和組織不同、介質(zhì)不同等，對應(yīng)力腐蝕的敏感性也 不同。有時(shí)在不發(fā)生腐蝕的介質(zhì)中，有些金屬在應(yīng)力作用下也發(fā)生應(yīng) 力腐蝕現(xiàn)象。三是在應(yīng)力腐蝕開裂過程中，首先出現(xiàn)點(diǎn)蝕，再逐步擴(kuò) 展成裂紋，裂紋的擴(kuò)展主要是沿著最大主應(yīng)力垂直的方向進(jìn)行，在微

16、 觀上是沿著材料品界或穿過品粒進(jìn)行。圖9材料的腐蝕開裂試驗(yàn)證明，拉應(yīng)力和腐蝕共存是應(yīng)力腐蝕的必要條件。拉應(yīng)力使 腐蝕破壞加速，這是應(yīng)力對腐蝕的作用。而殘余應(yīng)力的存在則必有拉 伸應(yīng)力，因此對于承受腐蝕的金屬構(gòu)件來說，殘余應(yīng)力也起到了應(yīng)力 腐蝕的作用。對于壓縮殘余應(yīng)力則恰恰相反，可以防止和減低應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。防止應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)場措施有表面壓延、噴丸和氮化 處理等，其原理都是使構(gòu)件表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。3.殘余應(yīng)力的避免或減小影響殘余應(yīng)力的因素較為復(fù)雜，因此避免或者減小殘余應(yīng)力的方主要可以從加工過程中以及加工完成后兩個(gè)方面考慮?？傮w來說，凡是能夠減小塑形變形和降低切削溫度的因素都能夠使已加工表面

17、的 殘余應(yīng)力減小。4.1切削條件方面切削速度增加時(shí)，切削溫度隨之增加，因此，熱引力引起的殘余 拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用，從而表面上的殘余拉應(yīng)力，隨著切削速度的提高 而增大，但是殘余應(yīng)力層的深度卻減小，這是由于切削力隨著切削速 度的增加而減小，從而塑性變形區(qū)域隨之減小。進(jìn)給量增加時(shí)，切削力及塑形變形區(qū)域隨之增大，并月熱應(yīng)力引 起的殘余拉應(yīng)力占優(yōu)勢，從而表面的殘余拉應(yīng)力及殘余應(yīng)力層深度都 隨之增加。例如加工退火鋼時(shí)，背吃刀量對殘余應(yīng)力的影響不太顯著, 而加工淬火后回火的45鋼時(shí)，隨著背吃刀量的增加，表而的殘余拉 應(yīng)力將稍微減小些。因此，精加工時(shí)，選擇較高的切削速度精加工時(shí)，選擇較小的進(jìn) 給量選擇合適的背吃

18、刀量。4.2刀具方面當(dāng)前角由正直逐漸變?yōu)樨?fù)值時(shí)，表層的殘余拉應(yīng)力逐漸減小，但 殘余應(yīng)力層的深度增加。這是由于刀具的前角越小，刀刃前方金屬的 壓縮變形及刀具對已加工表面的擠壓與摩擦作用越大，從而殘余拉應(yīng) 力減小。當(dāng)在一定的切削用量時(shí)，釆用絕對值較大的負(fù)前角，甚至?xí)?使已加工表面層得到殘余壓應(yīng)力。4.3振動(dòng)時(shí)效處理振動(dòng)時(shí)效是利用機(jī)械共振的方法消除或均化金屬結(jié)構(gòu)在鑄造、 鍛壓、焊接和切削等機(jī)械加工后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。它通過向工件 施加一定大小和頻率激蕩力的方式給工件傳遞能量，使工件發(fā)生微 小或宏觀塑性應(yīng)變來勻化和消除殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效法不僅可以大幅 度地消除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，而且設(shè)備簡便，節(jié)能環(huán)保

19、，消除 殘余應(yīng)力效率高。這種方法在一小時(shí)內(nèi)可以消除約50%的殘余應(yīng)力或削減約50% 殘余應(yīng)力的峰值，是使用最普遍的方法之一，處理效率高，節(jié)約成本, 但最大缺點(diǎn)是不能完全消除工件內(nèi)聚集的殘余應(yīng)力。4.4熱處理時(shí)效處理熱處理時(shí)效又稱為人工時(shí)效，最常見的人工時(shí)效處理是時(shí)效退火 和正火。由于材料的屈服強(qiáng)度會隨著溫度的升高而降低，時(shí)效退火 法就是把工件加熱到材料的回復(fù)或再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)保存幾小時(shí)甚 至幾十小時(shí)，來降低材料的屈服強(qiáng)度，使那些在殘余應(yīng)力作用下達(dá) 到屈服極限的部分發(fā)生熱塑性變形來消除殘余應(yīng)力的。這種方法要保 證冷卻速度足夠緩慢，以免在工件冷卻過程中產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。 目前人工時(shí)效處理應(yīng)用非常廣泛，它最高可以消除部件內(nèi)部80% 的殘余應(yīng)力。這種方法消除殘余應(yīng)力的效果很好，消除速度快、充分, 是至今最實(shí)用的方法之一。但是它存在可能引起部件材料的高溫軟 化，其設(shè)備昂貴，對環(huán)境也有一定污染。例如借助熱處理設(shè)施，將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600°c左 右，并在此溫度保溫4-8h